Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса 9
1.1 Анализ состояния тракторного парка 9
1.2 Анализ состояния и оснащенности ремонтной базы 16
1.3 Анализ отказов дизельных двигателей 19
1.4 Работа двигателя внутреннего сгорания при неустановившихся нагрузках 23
1.4.1 Идентификация динамических систем 24
1.5 Анализ методов диагностирования двигателей внутреннего сгорания 25
Выводы по главе 1 35
2 Теоретические предпосылки метода безразборной диагностики ДВС 37
2.1 Разработка алгоритма безразборной диагностики 37
2.2 Разработка математической модели 38
2.3 Идентификация двигателя внутреннего сгорания 43
2.4 Алгоритм расчета по методу Байеса 49
2.5 Особенности составления диагностической матрицы Байеса при безразборной диагностики двигателей внутреннего сгорания 52
2.6 Оценка предельной наработки двигателя по величине компрессии в цилиндре 57
2.7 Методика определения остаточного ресурса двигателя с использованием диагностических ресурсов 61
2.8 Определение остаточного ресурса с использованием диагностических параметров 63
Выводы по главе 2 67
3 Программа, оборудование и методы экспериментальных исследований 68
3.1 Цель и задачи экспериментального исследования 68
3.2 Объект экспериментального исследования 68
3.3 Определение входных и выходных параметров экспериментального исследования 69
3.4 Определение необходимой точности измерений и количества опытов 70
3.5 Программа экспериментальных исследований 72
3.5.1 Стационарные испытания 73
3.5.2 Нестационарные испытания 3.6 Экспериментальный стенд 76
3.7 Используемая измерительная аппаратура 79
3.8 Методика обработки экспериментальных данных 83
3.9 Определение коэффициентов дифференциальных уравнений
3.10 Планирование эксперимента 85
3.11 Используемые программные обеспечения 86
3.12 Моделирование состояния двигателя 88
3.13 Диагностические испытания 91
Выводы по главе 3 93
4 Анализ результатов экспериментальных исследований 94
4.1 Результаты лабораторных исследований экспериментальной установки 94
4.2 Выявление линейных зон 96
4.3 Определение среднеквадратического отклонения суммарной погрешности измерительного канала 98
4.4 Влияние изменений подачи топлива на характеристики двигателя 99
4.5 Влияние эксплуатационных факторов на технологические параметры 101
4.6 Влияние эксплуатационных факторов на диагностические параметры 104
4.7 Проверка адекватности полученных результатов 113
Выводы по главе 4 116
5 Оценка экономической эффективности нового метода диагностирования 118
5.1 Общие положения экономической оценки нового метода 118
5.2 Показатели экономической эффективности 119
5.3 Трудоёмкость выполнения механизированных работ 121
5.4 Экономические показатели, формирующие основные параметры эффективности 122
Выводы по главе 5 125
Заключение 126
Список сокращений 128
Список использованной литературы
- Работа двигателя внутреннего сгорания при неустановившихся нагрузках
- Особенности составления диагностической матрицы Байеса при безразборной диагностики двигателей внутреннего сгорания
- Определение входных и выходных параметров экспериментального исследования
- Определение среднеквадратического отклонения суммарной погрешности измерительного канала
Введение к работе
Актуальность темы. Двигатель МТА является одним из самых уязвимых агрегатов, на долю которого приходится около 50% отказов. В двигателе внутреннего сгорания наименьшую надежность имеют такие системы, как цилиндропоршневая группа – 20…25%, топливная аппаратура – 25…30%, газораспределительный механизм до 15%. Надежность ДВС и его систем зависит как от конструктивных особенностей, так и от качества проводимого технического обслуживания, организации своевременного и качественного диагностирования, выявления неисправностей и их устранения.
В связи с увеличением числа отказов, расширения номенклатуры технических операций, усложнения и разнообразия конструктивных элементов и различий в условиях эксплуатации тракторов, совершенствование методов технической диагностики ДВС является актуальной задачей. К тому же, классические алгоритмы диагностики ДВС не позволяют определять неисправности на ранней стадии их развития, поэтому важней задачей является совершенствование методов технической диагностики с применением универсальных алгоритмов обработки информации, с одновременным повышением достоверности результатов.
Степень разработанности темы. Свой вклад в решение проблем совершенствования методов и средств диагностирования автотракторных двигателей внесли В.И. Бельский, С.Н. Борычев, И.И. Габитов, А.В. Неговора, Ф.З. Габдрафиков, Л.В. Грехов, И.В. Добролюбов, Н.С. Ждановский, В.М. Михлин, И.Г. Галиев, Н.Р. Адигамов, А.П. Иншаков, В.И. Черноиванов, О.Ф. Савченко, Е.В.Николаев, А.Г. Кузнецов, А.В. Сафонов, А.С. Денисов, А.А. Молодан, С.В. Крашенинников, М.А. Кагарманов, С.Н. Ольшевский, В.Г. Баралевич, В.И. Сидоров, Б.И. Таранцев, М.Н. Костомахин, К.И. Лютин, А.С. Чурилин, А.А. Геленов и др. Однако, анализ характеристик работы двигателя имеет потенциал для дальнейшей разработки метода диагностирования, в связи с этим разработка метода диагностики по переходным функциям двигателя является востребованной задачей.
Целью работы является разработка метода безразборной диагностики двигателя как динамического объекта на основе переходных функций двигателя в целом и его составных частей.
Задачи исследования:
-
Разработать метод безразборной диагностики двигателя на основе переходных функций его систем;
-
Разработать стенд для безразборной диагностики двигателя внутреннего сгорания с возможностью имитации его реального технического состояния;
-
Разработать алгоритм и программное обеспечение для безразборной диагностики двигателя внутреннего сгорания на основе формулы Байеса;
-
Оценить экономическую эффективность применения предложенного метода по сравнению с существующими.
Объект исследований. Двигатель внутреннего сгорания Д-243 в составе МТА.
Предмет исследования. Закономерности влияния параметров технического состояния двигателя на форму переходных функций двигателя внутреннего сгорания.
Методология и методы исследования. В исследовании применяются основные положения теории тракторов и автомобилей, теории двигателей внутреннего сгорания, теории механизмов и машин, методы диагностики двигателя внутреннего сгорания, методы имитационного математического моделирования, методы моделирования динамических систем, методы теории планирования эксперимента, теории экспериментальных исследований и теории обработки сигналов, методы теории вероятности, методы статистического анализа.
Научная новизна.
-
Разработана математическая модель оценки изменения параметров технического состояния двигателя внутреннего сгорания, где в качестве диагностических параметров выбраны переходные функции самого двигателя и его составляющих элементов, которая на основе алгоритма Байеса позволяет определить вероятности появления неисправностей.
-
Разработан алгоритм моделирования изменения параметров технического состояния двигателя в эксплуатационных условиях, отличающийся тем, что позволяет определить значения параметров технического состояния двигателя в зависимости от наработки.
-
Определены диапазоны изменения диагностических параметров двигателя внутреннего сгорания с использованием методики идентификации динамических систем для составления диагностической матрицы Байеса.
Практическая значимость работы. Разработанная методика диагностирования и программа могут использоваться для диагностики и технического обслуживания тракторов и автомобилей в транспортных предприятиях, также ремонтных мастерских. По результатам исследований получены патенты на полезную модель № 151482, №160474, свидетельство о регистрации программы для ПЭВМ №2016614082.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены 2 патента на полезную модель, 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Апробация работы. Положения диссертации докладывались на ежегодных научно-практических конференциях Казанского ГАУ в 2012-2016 гг., научно-практическом семинаре «Чтения академика ВАСХНИЛ В.Н. Болтинского» (Москва, 2014), международной научно-практической конференции «Новая наука: современное состояние и пути развития» (Оренбург, 2016), Международная научно-практическая конференция «Современная наука: теоретический и практический взгляд» (Тюмень, 2016), экспонировалась на 17-ой Международной специализированной выставке «Энергетика. Ресурсосбережение» (Казань, 2016).
Реализация результатов работы. Полученные результаты используются в ОАО «Агрофирма Джалиль», УСХиП Сармановского района Республики Татарстан, а также внедрены в учебный процесс Института механизации и технического сервиса Казанского ГАУ.
Степень достоверности полученных результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием в качестве базиса исследования основных положений фундаментальных и технических наук, корректностью применяемого математического аппарата, проверкой теоретических положений
экспериментальными исследованиями с адекватным метрологическим обеспечением, публикацией результатов исследования в ведущих рецензируемых изданиях, обсуждением результатов исследования на конференциях и научных семинарах, практическим внедрением результатов.
Вклад автора в проведенное исследование. Автором лично получены все основные результаты: разработан стенд для динамического исследования двигателя, составлена методика диагностирования и программа экспериментальных исследований, проведены эксперименты и проанализированы их результаты, разработана программа для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, приложений, и содержит 148 страниц основного текста, включающего 59 иллюстрацию, 15 таблиц, список использованной литературы из 188 наименования.
Работа двигателя внутреннего сгорания при неустановившихся нагрузках
Дизельные двигатели тракторной техники в сельском хозяйстве являются сложными техническими изделиями, надежность которых (и, следовательно, наработка на отказ) зависит от надежности составляющих их узлов и агрегатов. Основные неисправности и отказы машин, до 50%, приходятся на двигатель, трудоемкость устранения которых может достигать до 40% от времени устранения всех неисправностей машины [92]. Несмотря на то, что для каждого трактора или марки тракторов характерны свои типичные причины отказов, можно определить статистически наиболее частые причины выхода тракторов из работоспособного состояния по группам агрегатов. Известно, что для дизельных двигателей тракторов наиболее важными являются отказы системы питания и цилиндропоршневой группы. По данным, приведенным в [134, 28, 60] 25…30% отказов двигателей приходится на топливоподающую аппаратуру (ТА). В работе [73] доля отказов ТА приведена в размере 37%, а доля отказов, приходящаяся на ЦПГ оценена в 6…7%, что является наименьшим значением, которое нам удалось обнаружить в анализируемых трудах. К сожалению, автор работы [12] не раскрывает сведений о том, откуда получены такие данные, что не позволяет их сравнить с данными других авторов. В то же время в работе [113] утверждается, что доля отказов ТА составляет до 45% всех отказов, а доля отказов цилиндропоршневой группы (ЦПГ) составляет до 20% всех отказов. Согласно данным исследователей ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии [91], износ ЦПГ является одним из важнейших факторов, который влияет на надежную и безотказную работу двигателя. Аналогичные сведения о наибольшем влиянии износа цилиндропоршневой группы на долговечность двигателя содержится в работе [70]. По некоторым данным, доля отказов цилиндропоршневой группы достигает для дизелей транспортного назначения 34…43% [86]. Таким образом, можно считать, что доля отказов цилиндропоршневой группы, действительно, составляет около 20…25% процентов отказов дизельных двигателей машин, применяемых в сельском хозяйстве, а ресурс цилиндропоршневой группы определяет долговечность работы двигателя до капитального ремонта, что, таким образом, определяет важность оценки ее технического состояния, наряду с состоянием ТА.
При этом по цилиндропоршневой группе, согласно данным корпорации Lubrication Engineers [168], отказы вызваны множеством причин, часть из которых представлена на рисунке 1.8.
Основные причины отказов дизельных двигателей вследствие нарушения функционирования узлов топливной аппаратуры Согласно проведенного анализа И.И. Габитова и А.В. Неговора [28], отказ топливных насосов возникает вследствие износа деталей, что является причиной изменения основных регулировочных параметров. Исследования показали, что 29,2% всех отказов топливного насоса УТН-5 приходится на увеличение неравномерности распределения топлива и снижение цикловой подачи (износ плунжерных пар и нагнетательных клапанов), 29% это износ подшипников кулачкового вала, 12,5% - нарушение герметичности уплотнений и 8,5% -снижение частоты вращения начала действия регулятора. В распределительных насосах 28% основных неисправностей приходится на износ и заклинивание плунжерных пар, 15% - на заклинивание и поломку зубьев промежуточной шестерни.
Также отмечается, что суммарный износ сопряжений деталей в цепи привода плунжера (венец – рейка и поводок – втулка) за 1000 ч работы в условиях нормальной эксплуатации составляет 0,124 мм. Почти 30% этого износа приходится на сопряжение болт толкателя – плунжер, 24% - на беговые дорожки подшипников, 28% - на ролики, ось и отверстие оси толкателя и 9% - на кулачок вала.
В работе Ф.З. Габдрафикова [27] отмечается, что исследование дизельных ДВС, эксплуатирующихся в реальных условиях, проведенное такими организациями как ГОСНИТИ, С.-ПбГАУ, ЦНИТА, Башкирский ГАУ и др., показывают, что 80-85% тракторных дизелей эксплуатируются с увеличенным расходом топлива, чаще всего в режимах частичных нагрузок. Это обусловлена тем, что элементы топливоподающих систем находятся в неудовлетворительным техническом состоянии.
Положение еще усугубляется тем, что большая часть МТА в сельскохозяйственных предприятиях эксплуатируется с превышением установленного ресурса при отсутствии необходимого обслуживания машин и настройки топливной системы.
Как отмечает автор [27] в своей работе, эксплуатационные показатели работы автотракторных двигателей снижаются при переходе на частичные нагрузки в связи с ухудшением работы ТА, т.е. равномерности подачи топлива по циклам и цилиндрам. Причиной этого является то, что доводка ТА в основном осуществляется для работы в номинальном режиме при установившихся нагрузках, а не в режиме частичных (неустановившихся) нагрузок, который более характерен для работы автотракторных двигателей.
Представленные на рисунках 1.8 и 1.9 основные причины отказов являются закономерным итогом износа двигателей тракторов. При этом для сельскохозяйственного производства особую важность играет абразивный износ цилиндров, вызванный попаданием частиц пыли, например, вследствие загрязнения воздушного фильтра трактора. До достижения отказа двигателя происходит постепенное снижение показателей его работоспособности и производительности. В эксплуатационных условиях не всегда удается отследить причины снижения этих показателей. Поэтому важным является совершенствование системы диагностики двигателей тракторов в сельском хозяйстве в процессе их эксплуатации. Аналогичные закономерности распределения отказов характерны и для импортных двигателей. Результаты статистических исследований [116] показаны в виде графика на рисунке 1.10.
Особенности составления диагностической матрицы Байеса при безразборной диагностики двигателей внутреннего сгорания
В диагностическую матрицу включены априорные вероятности диагнозов. Важно предусмотреть возможность уточнения таблицы в процессе диагностики, для чего в памяти ЭВМ следует сохранять не только значения вероятности, но и следующие величины: N — общее число объектов, использованных для составления диагностической матрицы; Nt — число объектов с диагнозом D; Nij — число объектов с диагнозом D, обследованных по признаку Kj. В идеале для заполнения данной матрицы необходимо вести непрерывный учет технического состояния двигателя при прохождении им каждого очередного технического обслуживания с фиксацией состояния его систем и механизмов. Как показывает практика диагностирования, удовлетворительная сходимость результатов появляется при размере выборки большее 200. При этом необходимо отметить, согласно нормативно- технической документации, не все интересующие составляющие элементы двигателя проходят оценку технического состояния при этих работах. Поэтому задача заполнения матрицы диагностирования с учетом реального влияния наработки двигателя на его техническое состояние является актуальной. Рассмотрим пример составления диагностической матрицы по алгоритму Байеса для двигателя Д-243 [153, 154]. Выбираем четыре основных состояний двигателя и три основных диагностических признака (параметра) проявления различных неисправностей: – неисправности в системе подачи воздуха (СПВ) D1 ; – неисправности в системе подачи топлива (СПТ) D2 ; – неисправности цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) D3 ; – исправное состояние двигателя D4 . Как правило, ресурс двигателя определяется ресурсом его базовых деталей, в качестве которых выступает блок цилиндров и коленчатый вал. Принимаем, что основанием для капитального ремонта двигателя служит предельное состояние блока цилиндров, которое характеризуется предельно низким значением компрессии в цилиндре.
В качестве диагностического признака выберем интенсивность изменения показателей двигателя при единичном изменении положения рычага настройки регулятора – переходные функции. Как известно, они отражают динамические характеристики системы и зависят от ее технического состояния [152]. Каждый признак kj имеет три уровня состояния: хороший, удовлетворительный и неудовлетворительный, соответствующий неисправности системы: – интенсивность изменения частоты вращения Tn (k1i); – интенсивность изменения подачи топлива Tgц (k2i); – интенсивность изменения расхода воздуха TGв (k3i).
Диапазон изменения показателей от хорошего до неудовлетворительного значения определяется соответствующими значениями этих показателей для двигателей с нулевой и предельной наработкой. Эти данные необходимо получить в стендовых условиях и они служат для определения граничных условий при диагностировании.
Исходными данными для диагностируемого двигателя являются также: – ресурс до капитального ремонта LПР ; – периодичность технического обслуживания L0 ; текущая наработка L . Практика технической эксплуатации показывает, что при качественном проведении регламентных работ по обслуживанию и применении оригинальных расходных материалов техническое состояние двигателей внутреннего сгорания после очередного технического обслуживания (ТО) восстанавливается до номинального или близкого к нему значения по убывающей амплитуде. Интенсивность изменения амплитуды зависит от условий эксплуатации двигателя и качества организации работ по ТО.
Диагностическая матрица Байеса об отказах и неисправностях двигателя при выбранных диагностических параметрах приведена ниже в таблице 2.3. Определяем вероятность диагноза состояния двигателя Di , если имеет место одно из возможных совместных проявлений признаков k1i , k2i и k3i . Таблица 2.3 – Диагностическая матрица Байеса
Состояние двигателя Di Признаки kj P(Di ) частота вращения k1 расход топлива k2 расход воздуха k3 k 1 k2 k 3 k 11 k 12 k 13 k k 22 k. k k k 33 Неисправности СПВ D1 P(k1i / D1) P(k2i / D1) P(k3i / D1) P(D1) Неисправности СПТ D2 P(k1i / D2 ) P(k2i / D2 ) P(k3i / D2 ) P(D2 ) Неисправности ЦПГ D3 P(k1i / D3 ) P(k2i / D3 ) P(k3i / D3 ) P(D3) Исправное состояние D4 P(k1i / D4 ) P(k2i / D4 ) P(k3i / D4 ) P(D4 ) Для определения значений P(Di ) нужны статистические данные вероятности диагнозов при различном техническом состоянии двигателя (компрессия К) и при различной наработке L. Однако, учитывая скудные данные по техническому состоянию составляющих элементов двигателя можно принять математические методы моделирования вероятности диагнозов.
Общеизвестно, что износ ЦПГ двигателя носит постепенный характер и определяется условиями эксплуатации, применяемыми расходными материалами и качеством проведения ТО. Можно предположить, что вероятность исправного состояния ЦПГ при изменении компрессии от Kmin до Kmax изменяется по экспоненциальному закону, как показано на рисунке 2.8.
Определение входных и выходных параметров экспериментального исследования
Выбор приборов измерения перемещений (вращение задающего диска, поворот оси рычага управления подачи топлива, перемещение рейки ТНВД) производился с учетом сведений, приведенных в [43, 36, 103].
Для измерения частоты вращения коленчатого вала применяется датчик положения коленчатого вала, представляющий собой систему из установленного на шкиве коленчатого вала двигателя задающего диска и датчика модели 16.3855 на основе эффекта Холла. Внешний вид датчика 16.3855 представлен на рисунке 3, а технические характеристики – в таблице 3 приложения Б. Для определения угла поворота (положения) дроссельной заслонки применен датчик модели 39.3855, внешний вид которого представлен на рисунке 4, а технические характеристики – в таблице 4 приложения Б. Для измерения цикловой подачи топлива использовался датчик линейного перемещения типа ДЛП-2, измеряющий перемещение рейки ТНВД, который одним концом прикреплен к рейке, а другим к корпусу ТНВД. Внешний вид показан на рисунке 5, а технические характеристики в таблице 5 приложения Б.
Для контроля расхода воздуха применялся нитевой датчик массового расхода воздуха типа ДМРВ-М ИВКШ.407282003, установленный после воздушного фильтра. Внешний вид датчика представлен на рисунке 6, а технические характеристики приведены в таблице 6 приложения Б. Электрический сигнал, получаемый с датчиков ИИС, в большинстве случаев является аналоговым и нуждается в преобразовании к цифровому виду для последующей записи на современные носители информации и обработки на ЭВМ. Такое преобразование осуществляется аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП). Зачастую, аналогово-цифровой преобразователь является ключевым элементом ИИС.
Подбор АЦП производился по рекомендациям, приведенным в [59, 87, 143, 176]. Для целей экспериментального исследования был выбран АЦП QMBox10-16 с разрядностью 14 бит, с заявленным соотношением «сигнал/шум», равным 75 дБ на диапазоне 5В. Внешний вид АЦП приведен на рисунке 7, а характеристики – в таблице 7 приложения Б. Для питания датчиков и устройств использовался стабилизированный постоянный ток. Для стабилизации тока и напряжения применялся источник питания Б5-49. Основные технические характеристики источника питания приведены в таблице 8 приложения Б. Для оценки соответствия выбранных измерительных устройств с заданными значениями точности эксперимента, определялись среднеквадратические отклонения погрешности измерительных каналов ИИС по выражению: , (3-5) n где п — количество средств измерения в измерительном канале, ед.; сг[#Л — среднеквадратическое отклонение случайной погрешности /-го измерительного устройства, %; т — количество влияющих факторов /-го средства измерения, для которых указаны пределы изменения погрешности. Среднеквадратическое отклонение случайной погрешности /-го измерительного устройства определялось по формуле: ( №і\= ff2[5ffl] + Т?=1о2[Ьсц] , (3.6) где а\бю\ — среднеквадратическое отклонение основной погрешности /-го средства измерения, %; оТ 5"с.Л — среднеквадратическое отклонение дополнительной погрешности /-го измерительного устройства оту-го влияющего фактора, %. Пределы интервала, в котором с вероятностью Р=95%, находится суммарная погрешность измерительного канала, определяется по формуле ЗИКН(В)=±КНа[3,], (3.7) Для числа измерений больше 4 распределение суммарной погрешности стремится к нормальной (Кн = 1,96). Приведем пример расчета измерительного канала крутящего момента на тензометрическом мосту. r j = s2 ТР+s2 ТРП+s2 ТТ 0+АЦП L bJ v з где ТР - основная погрешность тензорезистивных элементов, %; 8ТР П - дополнительная погрешность тензорезистивных элементов от температурной ползучести, %; SТТ 0 - основная погрешность усилителя ТТ10, %; дАЦП - основная погрешность АЦП, %. Расчеты погрешностей измерительных приборов приведены в главе 4.
Обработка результатов эксперимента является не менее ответственной частью экспериментального исследования, чем собственно проведение эксперимента. Обработка производилась в соответствии с рекомендациями, приведенными в [65, 88] с помощью программы для ЭВМ.
Для преобразования электрических сигналов напряжения от аналоговых датчиков использовались следующие зависимости: Y,=f{uX (3.14) где U1 - записанное значение напряжения і-го элемента массива данных; /(и,)- градуировочная функция, сопоставляющая значения электрического сигнала напряжения в В (вольт) физическим уровням сигнала на основе тарировочных данных. Расход топлива за единицу времени, л/с, определялся по выражению: X Q = рт, (3.15) 2806где Xрт - количество импульсов расходомера топлива, ед; t - время измерения (время усреднения), c. Часовой расход топлива, кг/ч, определялся по выражению: G = 3600 -p-Q, (3.16) где p - плотность топлива, кг/л. Угловая скорость коленчатого вала, рад/с, определялась по выражению: (0 = , (3.17) At где L - длина дуги одного зуба задающего диска, м; R - радиус задающего диска, м; At - время прохождения зуба задающего диска через датчик на основе эффекта Холла, с. Частота вращения коленчатого вала, мин-1, двигателя определялась по выражению: п = . (3.18) Эффективная мощность двигателя, кВт, определялась по выражению: N =Мсо, (3.19) где Ме - эффективный крутящий момент, Нм. Эффективный удельный расход топлива, определялся по кВт-ч выражению: ge=1000— . .(3.20) be Є Описанные методики позволяют исследовать показатели энергетической установки МТА при работе в режиме неустановившейся нагрузки и решить вопрос о применении полученных данных для разработки метода диагностирования.
В данной работе ДВС рассматривается как динамическая система, изменение показателей которого в условиях эксплуатации описываются дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами. Для составления данных уравнений требуется знание физических процессов, которые происходят в самом двигателе, что является очень трудоемким процессом. При моделировании динамических систем является довольно распространённым метод идентификации параметров системы по результатам тестовых испытаний. С этой целью, в соответствии с результатами эксперимента определяются переходные функции, и последующие исследования проводятся с ними. Оценка применимости полученных результатов и адекватности математической модели производится сравнением полученные данных на сходимость с экспериментальными данными. Для определения переходных функций применяется программное обеспечение «Программа определения эксплуатационных показателей двигателей мобильных машин при эксплуатационных условиях с учетом их динамических характеристик» [80].
Определение среднеквадратического отклонения суммарной погрешности измерительного канала
Измерительные каналы систем автоматизации включают в себя несколько типов измерительных средств: датчики, преобразователи, аналоговые и частотные модули ввода и вывода. Такая система имеет свою погрешность, которую желательно определять экспериментальным путем [11], однако данный метод определения погрешности не всегда является возможным и целесообразным, поэтому в таких случаях используют расчетный метод. Погрешности датчиков и преобразователей, применяемых при проведении исследований двигателя, приведены в приложении В.
Таким образом, среднеквадратическое отклонение суммарной погрешности измерительного канала крутящего момента на тензометрическом мосту составит: что не превышает допустимого значения. Аналогично были получены значения для датчика линейных перемещений рейки ТНВД (ДЛП), расходомера топлива (РТ), датчика положения коленчатого вала (ДПКВ), расходомера воздуха (ДМРВ), датчика положения регулирующего органа (ДПРО): длп 0,38% не превышает допустимого значения. (трт = 0,29% не превышает допустимого значения. УДШВ = 0,70% не превышает допустимого значения. адмрв = 0,70% не превышает допустимого значения. дпдз = 0,98% не превышает допустимого значения. Таким образом, погрешность используемой измерительной системы не превышают допустимые значения по всем измерительным каналам.
При скачкообразном изменении настройки регулятора ( р) меняется цикловая подача топлива (g4), расход воздуха (Ge) и частота вращения (и). Данные изменения параметров двигателя посредством установленных датчиков передаются в АЦП для дальнейшей обработки программным обеспечением. График изменений параметров двигателя в зависимости от воздействия на рычаг управления подачей топлива показан на рисунке 4.2. г) а) положения рычага управления подачи топливом ( ), б) цикловой подачи топлива (g4), в) частоты вращения (п), г) расхода воздуха (Gg) Рисунок 4.2 - График изменения параметров двигателя Как видно из рисунка 4.2 каждый параметр двигателя имеет свою интенсивность изменения в зависимости от воздействия на рычаг управления настройки регулятора и обладает хорошей информативностью, что является еще одним обоснованием их применения в качестве диагностического параметра.
В процессе эксплуатации нормативные параметры технической эксплуатации энергетических установок меняется под воздействием различных факторов. Основными из которых являются эксплуатационные и технологические.
Для составления алгоритма безразборной диагностики по методу Байеса необходимо было узнать закономерности изменения компрессии, цикловой подачи и расхода воздуха в зависимости от наработки трактора. Для этого была проведена оценка технического состояния двигателей выборки из 15 тракторов, работающих в различных хозяйствах Юго-востока Республики Татарстан.
Полученные данные показывают снижение компрессии к от 2,8 МПа до 1,6 МПа при изменении наработки / от 500 до 8000 мото-ч. Аппроксимация полученных данных теоретической зависимостью дает удовлетворительную сходимость в пределах 4,1-4,7%. Для оценки технического состояния системы питания двигателя была выбрана совокупность факторов: - величина цикловой подачи топлива; - давление впрыска; - качество распыла. Каждый фактор оценивался по трем уровням: хороший, удовлетворительный, неудовлетворительный. Сочетание одного неудовлетворительного состояния хотя бы одного из факторов с остальными, независимо от их уровня, принималась как неисправность системы питания двигателя. На рисунке 4.4 показана зависимость изменения цикловой подачи gцикл мм3/цикл при изменении наработки / от 0 до 1000 мото-ч. При этом необходимо также отметить небольшие изменения давления впрыска и качества распыла.
Изменение состояния воздухоподачи, как правило, связано с загрязнением воздушного фильтра. Проведенные лабораторные исследования показали, что разряжение во впускном коллекторе при частоте вращения коленчатого вала «=1700 об/мин меняется от Р=2 кПа до Рв=7 кПа при загрязнении фильтра от 0% до 100%. На рисунке 4.5 показана зависимость изменения разряжения во впускном коллекторе двигателя от степени засоренности фильтра. Исследования были проведены в лаборатории Казанского ГАУ на стенде, на который получен патент на полезную модель № 151482 РФ, МПК G01M 15/05 от 10.04.2015.
При этом стоит отметить, что расход воздуха двигателя напрямую зависит от состояния воздушного фильтра, а значит и от разряжения во впускном коллекторе. Проведенные исследования подтверждают правильность результатов теоретических зависимостей о закономерностях изменения конструктивных параметров в эксплуатационных условиях и позволяет определить коэффициенты уравнений для составления алгоритма безразборной диагностики.
Выбранные значения диагностических параметров, а именно интенсивность изменения частоты вращения Тn, цикловой подачи Тgц и расхода воздуха TGв в процессе эксплуатации изменяются. Для определения значений диагностических параметров были проведены ситуационные испытания. Определены переходные функции при единичном изменении положения рычага управления топливом для различных смоделированных технических состояний [154].